毕业设计（论文）
设计(论文)题目：纯电动汽车建模与仿真研究学生姓名：指导教师：
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摘要........................................................... I I Abstract ....................................................... I II 1 绪论. (1)
1.1 电动汽车概述 (1)
1.2 国内外纯电动汽车发展现状 (2)
1.3 我国发展纯电动汽车面临的问题和挑战 (5)
2 纯电动汽车的工作模式和原理 (7)
2.1纯电动汽车的构造与原理 (7)
2.2 纯电动汽车的关键技术 (11)
2.3 纯电动汽车的应用 (14)
3 纯电动汽车的建模与仿真 (16)
3.1仿真分析在控制开发策略中的作用及应用举例 (16)
3.2纯电动汽车仿真软件的简介 (17)
3.3纯电动汽车系统建模 (20)
4 纯电动汽车优化设计策略分析 (30)
4.1 仿真软件优化设计原理与研究 (30)
4.2 纯电动汽车优化设计问题的策略分析 (30)
5 全文总结与展望 (32)
5.1 全文总结 (32)
5.2 研究展望 (32)
参考文献 (33)
致谢 (34)
纯电动汽车建模与仿真研究
摘要
汽车工业的高速发展引发了世界对能源和环境的关注，纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点，是解决城市化中的汽车问题的重要途径。
本文阐述了纯电动汽车的发展状况，并分析了现代纯电动汽车发展的关键技术，以及电动汽车发展所面临的问题，表明大力发展纯电动汽车是缓解人类能源和环境压力的有效途径；介绍了可用于开发数控仿真系统的实体造型平台——MATLAB/Simulink；然后介绍了纯电动汽车建模与仿真的研究方法，分析MATLAB软件中电动汽车优化设计的工作原理，给出电动汽车优化设计问题的解决方案；最后对全文的工作进行了总结，并提出了今后的工作方向。
关键词：纯电动汽车；新能源;仿真；建模
Research on the modeling and simulation
of pure electric vehicle
Abstract
The rapid development of automobile industry brings intense attention to energy and environment. The pure EV(electric vehicles),with its advantage of low noise, free contamination, diversification and high efficiency in energy, is a major way to solve the automobile problems in urbanization.
This thesis mainly introduces the present situation of electric vehicles, analyses the key technology on the development of modern pure EV and problems we are facing, then illustrates speeding up the pure EV is an efficient path to relieve the stress on energy and environment. Then the platform—MATLAB/Simulink for the development of verification system, including its development interface, data structure, main functions, features and the application in the system is introduced. And then, this thesis introduces the research and development of modeling and simulation of electric vehicle, analyses the principle and implement of optimization design in MATLAB. The mathematics description for those optimization problems are also given. Finally, a conclusion of this thesis is given and some related issues and future work in this area are also addressed.
Key words: Pure electric vehicle; New energy; Simulation; Modeling;
1 绪论
1.1 电动汽车概述
1.1.1 传统汽车面临的挑战及对策
汽车自诞生起已有100多年的历史，其发展速度不断的加快，与人们的联系越来越紧密。汽车已不再是一个简单的代步运输工具，已成为许多人的生活必需品和文化生活的一部分，甚至成为一些人的流动办公室。汽车的普及程度和技术水平已成为一个国家或地区现代化程度的标志。
汽车工业在当代世界经济活动中发挥了巨大的作用。但与此同时，汽车工业的发展所带来的石油危机和环境污染等问题也日益严重，在我国显得较为突出。2010年全国城市环境综合整治定量考核结果显示，全国地级以上城市，空气达标比例为71．6％，还有近30％地级以上城市空气品质未达到合格标准。据环境部门统计达标结果表明，大气污染42％的来自于交通运输，按照国家环保中心预测，2011年汽车尾气排放量将占空气污染源的64％。2010年我国消耗石油4亿吨，居全球第二。显然，汽车的大量使用带来了环境污染、能源消耗等许多负面影响。
汽车面临的挑战之二就是能源供应问题。从人类对可持续发展的观点的出发，人类应设法减少对有限的石油资源的消耗，并且应积极研究石油枯竭后汽车的能源问题。目前世界范围内使用的主要能源有石油、煤、天然气、核能（原子能）、水能、风能以及可再生资源等。虽然每年都有新的油田、气田的发现，但是这些资源都是有限的，总有一天会消耗殆尽。
我国面临的形式也十分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。
由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用于发电的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。
1.1.2 电动汽车的概述
电动汽车作为一种交通工具，最早出现在1873年的欧洲，这比内燃机汽车早了十几年。到二十世纪初在欧洲普及，与蒸汽动力车、内燃机汽车平分秋色。直到二十世纪二十年代初，随着内燃机技术的进步，使燃油汽车的综合性能大为提高。与此同时，由于蓄电池技术发展缓慢，制约了电动汽车的发展。此消彼长，电动汽车渐渐退出竞争市场，仅在码头、
机场、车站、仓库、工厂等特殊场合使用。到二十世纪六十年代，电动汽车的保有量只占世界汽车总量的0.3%。从20 世纪20 年代初至60 年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。进入70 年代以来，石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。现在，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。
电动汽车具有污染小、噪音小、节约能源，结构、控制和维护简单的特点，较之燃油汽车有其突出的优点：
1.燃油汽车排放的废气是主要的空气污染源（约占42%），而电动汽车不产生废气，且不需要冷却剂、机油等会造成污染的物质。且电动汽车充电可以采用集中式充电方式，容易控制污染源。
2.在拥挤的城市街道，必须不断的停车和启动，对燃油汽车来说，这意味着大量的能源浪费并且加剧了对空气的污染。而电动车在停车时，不需让电机空转，减速时车辆的动能还可以通过电动机的发电状态回馈为电能，储存于蓄电池之中。
3.燃油汽车噪声大，而电动汽车运行中较为安静和平稳。
4.电动汽车的结构相对于燃油汽车要简单，除定期更换蓄电池外，基本上无须日常保养。此外，电动车的使用寿命也比普通燃油汽车长。
5.全球性的能源（石油）危机，使燃油汽车的燃料费用日趋昂贵。虽然目前电动汽车价格高于燃油汽车，但电动汽车运行成本低，从今后的发展和普及推广考虑，其价格将会逐步降低。
目前由于蓄电池、逆变器等关键部件的价格偏高致使电动汽车价格高于燃油汽车，但是电动汽车运行成本低，从今后发展考虑，其价格将会逐步的降低。因此电动汽车必然成为运输车辆更新换代的方向，电动汽车的推广使用也是当代车辆运输的又一重大改革。1.2 国内外纯电动汽车发展现状
1.2.1 国外主要国家电动汽车发展情况
近年来，世界各国为了鼓励电动汽车的生产和使用，实行了各种优惠扶持政策和发展计划，如美国、韩国就拨出巨款，对电动汽车的生产厂家和购买电动汽车的客户给予资助或补贴；日本则对电动汽车用户的牌照税、养路费以及夜间充电电费等给予优惠；美国的加州还通过一项强制推广电动汽车的法规，规定汽车总销售量中电动汽车必须占有一定比例，而且该比例逐年上升；而德国更是发布了由总理亲自挂帅组织实施的电动汽车的发展计划，该计划由政府部门、企业、高校和研究机构共同参与，协作攻克电池、电机、回收利用等技术攻关重点，并确定了到2020年德国将有100万辆电动汽车上路的发展目标。
美、日及欧洲发达国家，纯电动汽车已开始进入实用化阶段。其中，美国的通用EV-1 两座轿车、通用S-10 两座皮卡、福特Ranga两座皮卡，日本的丰田RAV-4 五座轿车、本田Plus四座轿车、日产Lunnet五座轿车、大发Hi-jet微型面包，法国研制的标志-雪铁龙P106四座轿车等都投入了商业运行。在2000年，日本公路上就已运行着1000多辆纯电动汽车，美国商业化运行的纯电动汽车己达到6000辆，欧共同体主要城市基本上都有试运行的电动公交车。电动汽车的前景取决于电池技术的突破，近年来，镍氢、锂离子被相对看好，国外汽车公司投入大量资金进行研究，铅酸、镍镉等传统电池的改进工作也在进行。
美国纯电动汽车研究开发时间较长，投资力度较大。早在1991年，美国3大汽车公司签定协议，成立先进电池联合体，合作研究电动汽车用电池。90年代初期，通用汽车公司投入10亿美元开发EV-1型纯电动轿车，并发展到第二代通用EV-I。该车采用高容量铅酸电池和镍氢电池，137马力、3相AC感应发动机驱动，电调节最高时速可达80公里/小时，一次充电里程75-130公里，完全充电时间5.5-6小时。1996年通用公司在底特律新建电动汽车生产线，每天生产10辆，至1999年生产950辆纯电动汽车。福特公司2002年推出全新的TH!NK都市车。该车为前轮驱动，采用交流电电控动力系统和单速齿轮减速传动装置，另有一系列充电设备选件，其中110或220伏的插入式充电器为标准配置，220伏的充电器可在6-8小时之内完全充电。1992年克莱斯勒公司、美国电力研究院与南加州爱迪生公司共同开发50辆电动货车。
日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划。1991年通产省制定了第三届电动汽车普及计划，用于推动电动汽车的普及与应用，日本各汽车制造商均开始了纯电动汽车的开发。1997年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。90年代末，丰田公司研制出RAV-4 EV型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护50kW交流同步电动机，由288V镍氢电池提供电能，充电时间5-6h，最高车速为125km/h，一次充电行驶距离215km。
在纯电动车的基础设施建设方面，国外已经进行了不错的尝试。日本东京目前有87个充电站，楼宇、路旁的充电桩随处可见。在美国加州斯坦福大学里，有专供电动汽车充电的停车位，每两个车位之间就有一个充电桩。而且美国的家庭普遍拥有车库，充电问题更易得到解决。国内市场方面，纯电动车的发展也在继续，但是任重而道远。不过我们也相信随着政策的不断落实和企业的一起努力，纯电动车的春天也会到来。
1.2.2 我国电动汽车的发展概况
在我国，自“八五”以来，电动轿车、电动公交客车、电动车辆系统设计与开发、子系统与零部件研制、能量存储装置、示范运行和标准制定及政策研究等多方面都取得了诸多成果。清华大学早在1990 年北京国际EV 展览会上就展出EV6580 型电动小客车，在那以后又为多家汽车制造厂商开发和研制了多种EV、HEV、FCEV 等功能样车。西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了15 项国家发明专利，正式授权5 项。在电动汽车驱
动控制和能量回收技术的研究中，率先将鲁棒控制应用到电动汽车能量回收技术上。与传统的控制方法相比，鲁棒控制可以方便地同时考虑输入电压变动、负载扰动和其他非线性的补偿，显著提高了车辆的一次性充电续驶里程。
目前在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小，有些甚至处于领先地位。如深圳雷天绿色电动源(深圳)有限公司开发的锂离子电池续驶能力达到300公里，最高时速可达120公里，单台车电池成本4万元左右；深圳中星汽车制造公司研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的11倍，能量功率之比可达每千克一千瓦时，充电仅需10分钟就可以完成，寿命可达10年以上，价格为锂电池的一半，体积为锂电池的1/3，商业化前景看好。安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的水平极板铅酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获得国家专利。中国科学院北京三环通用电气公司开发出电动汽车专用7.5千瓦电机等。这些都是中国电动汽车高性能电池和驱动电机技术的重大突破。
在整车开发方面，天津清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同参与合作开发出XL2000纯电动轿车。该车采用天津夏利2000车型和平海湾的镍氢电池、十八所锂离子动力电池技术。首批开发了5辆达国际先进水平的纯电动轿车，并将在两年内实现产业化。天津清源电动车辆有限公司和中科院电动所还共同研制成功全国第一辆纯电动中型客车。该电动客车以二汽东风客车为原车型，单纯以电池为动力源，可载客 17人，最大时速可达80公里。
表1.1 国内主要小型纯电动汽车研发情况 产品名称
主要参数 主要研发单位 长×宽
×高
（mm ）
整备质量（kg ） 最高车速（km/h ） 最大爬坡度 续驶里程（km ） 电池种类 电机种类 夏利纯电
动车 4145×1660×
1510
1300 120 20% 150 锂离子电池 交流异步 天津清源 幸福使者 3395×
1475×
1695
984 50 20% 80 铅酸电池 直流 天津清源 EQ716OEV 4094×
1682×
1474 1212 110 20% 225 镍氢电池 - 东风电动车辆有限公
司
QREV低配置纯度的汽车- - 83 20% 225 铅酸电
池
永磁直
流
安徽兆
成电动
车辆公
司
比亚迪电动汽车4130×
1645×
1551
1500 125 30% 300 锂离子
电池
永磁无
刷直流
比亚迪
汽车有
限公司
1.3 我国发展纯电动汽车面临的问题和挑战
1.3.1 电动汽车发展面临的问题和挑战
1.目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100~300 公里，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50~100 公里。比起传统燃油汽车而言电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。
2.普通蓄电池充放电次数仅为300~400 次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700~900 次，按每年充放电200 次计算，一个蓄电池的寿命最多为4 年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足，例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。镍镉电池加速动力足、寿命较长．但其成本高、可回收性差。钠硫电池的能量较高，能够提供较长的续驶里程。但它要求的工作环境较苛刻．并易爆炸。就整体来看．成熟电池的寿命都相对较短。
3.现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。如果电动汽车自身装备质量大．就会影响加速性能和最大车速的提高。例如，现有电动汽车电池的外体积一般要达到550 L．当把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。
4.电动汽车电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。电动汽车蓄电池的价格约为100 美元／kwh，甚至有的高达350美元／kwh，成本太高，用户难以承受。
5.电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染也是不容忽视的。如铅酸电池中的铅，从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。再如所用电能，相当大一部分来自火力发电，煤炭燃料也会造成大气污染。
1.3.2 我国发展纯电动汽车的重要意义
1.能减排目标的重要保障
温室气体排放带来的全球气候变暖问题已引起全世界的高度关注。为此各国共同签订
了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》，规定各国减少温室气体排放的责任和期限。而最近的10年来，我国汽车一直保持高速增长态势，汽车保有量以及汽车排放的温室气体都急剧增加，目前我国已成为最大二氧化碳排放国之一。这使我国面临巨大的碳减排国际压力，甚至贸易壁垒压力。而
2.克服石油能源难题的有力支撑
随着汽车工业的不断发展，石油安全问题已成为制约我国汽车工业发展的最大因素。国家发改委今年公布的统计数据表明，我国每年提炼的汽油，60%以上被全国汽车所消耗，国家近5年新增的炼油能力，几乎全部被新增汽车所吞噬。而用于提炼的原油，大部分需要依靠进口。2008年，我国石油进口量达20067万吨，对外依存度高达52%。国家对此高度重视，认为只有全力扶持电动汽车发展，才能从根本上解决石油能源难题。
3.发展成汽车强国的必然选择
在传统内燃机汽车方面，我国落后于国外20年，特别是轿车发动机这一高新技术领域，目前国内企业还没有自主开发能力。我国在内燃机汽车领域赶超发达国家的机会很小。但在电动汽车领域，我国与国际先进水平之间只有四、五年的差距，部分技术甚至已达到世界先进水平，而且中国拥有成本和市场等多方面的优势。因此，电动汽车很可能成为我国汽车产业的超赶路径，是我国汽车产业实现跨跃式发展、做大做强自主品牌的必然选择。
4.促进科技进步和产业结构升级的难得机遇
电动汽车是一个涉及面广的高科技系统项目，它的研发及产业化将会大大促进一系列高新技术和相关产业的大发展，如电能蓄存、燃料电池、整车能量管理系统、整车优化设计、高性能电动机及其控制器、信息技术应用、低阻力轮胎、轻质复合材料应用等。这为我国的科技进步和产业结构升级提供了一次难得的机遇。
2 纯电动汽车的工作模式和原理
纯电动汽车与燃油汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，纯电动汽车结构各式各样，尽管大多数的纯电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但纯电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征。
2.1 纯电动汽车的构造与原理
2.1.1 纯电动汽车的基本组成部分
电动汽车的基本结构系统可分为3个子系统：即主能源子系统，电力驱动子系统和辅助控制子系统，如图2.1所示。其中，主能源子系统，由电源和能量管理系统构成，能量管理系统能实现能源利用监控、能量再生、协调控制等作用；电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成；而辅助控制子系统，主要为电动汽车提供辅助电源，控制动力转向、电池充电等作用。与燃油汽车相比，电动汽车的结构更加灵活。燃油汽车的动力，主要通过刚性联轴器和转轴传递，而电动汽车基本上是柔性的电线连接。电动汽车可以使用不同类型的储能装置，如蓄电池、燃料电池、电容器、高速飞轮等，其密度和尺寸不同，会影响到电动汽车的净质量和体积。电动汽车可以采用不同类型的电机的驱动，像直流电机、交流电机、轮式电机等，使得电动汽车具有不同的行驶性能。变速系统是连接驱动电机和车轮的部件，主要起换向和变速的作用。对于传统汽车来说，主要采用手动变速器或自动变速器。但对于电动汽车，由于驱动电动机的转矩和转速，可以用电子控制器进行控制，因此变速系统的设计，可有多种选择。既可用手动变速器和自动变速器，又可用电子驱动器控制电动机直接变速。究竟采用哪种方案，还要看电动汽车的整体匹配。这些不同的选择，更加方便了电动汽车的总体设计。
图2.1 电动汽车的基本结构系统
1.车载电源
(1)车载电源的发展
第一代的纯电动汽车的电池都是铅酸蓄电池。由于铅酸电池的比能量和比功率不能满足纯电动汽车动力性能的需求，后来经过科学家的研究，进一步发展了阀控铅酸电池、铅布电池等纯电动汽车，是铅酸电池的比能量有所提高，目前仍然能够作为纯电动汽车的电源。
第二代的高能电池有锂离子电池、锂聚合物电池、锌空电池和铝空气电池等作为电动汽车的能量来源。第二代的比能量和比功率都比铅酸电池高，大大的提高了EV的动力性和续驶里程。但是在使用一定期限后，电池将会老化变质以至于报废，从而增加了EV的成本。
第三代电动汽车的电池是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃烧的化学能转变成电能，能量转换率高，比能量和比功率高，是较理想的电动汽车电池，经过科研人员的不断努力，一些关键技术正在不断地突破，并且在使用上能够取得了良好的效果。
(2)动力电池组的组成和布置形式
纯电动汽车上搭载的唯一的动力源一般是由多个12V或24V的电池串联形成的动力电池组，动力电池组一般是电压为155V—400V的高压直流电源。为了便于向一些低压用电设备供电，而不至于将车上的一些电子元件损坏，动力电池组还有DC/DC转换器。
一般动力电池组采用并联或者串联的方式进行组合，在电动汽车上占据着很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当大的难度，通常有“集中”布置和“分散”布置两种形式。
2.电池组管理系统
(1)电池组管理系统组成
电动汽车上的动力电池组是它的主要电源，电动汽车形式所需要的驱动力全靠动力电池组提供电能转化成机械能。根据电动汽车所采用的电池的类型和动力电池组的组合的方法，电池组管理系统主要包括热管理系统、电池管理系统和电线线路管理系统，如图2.2所示。
图2.2 电池组管理系统组成 (2)电池组的管理系统
动力电池组的管理系统包括对动力电池组的充电和放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池的温度等进行控制。因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管理系统来对整个动力电池组和对动力电池组中的每个单体电池进行监控，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组维护系统，来保证EV 的正常运行。
2.1.2 驱动电机和驱动系统
驱动电机是电动汽车的动力装置，是电动汽车的骨髓，这也是电动汽车与普通内燃机汽车的根本区别之在。现代电动汽车所采用驱动电机主要是交流电动机、永磁电动机和开关阻尼电动机等。
电动汽车驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着电动汽车结构形式不同，采用了不同驱动系统。电动汽车的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。
架布置
ECU
用
池的温度测试 计算及显示技术
器
表2.1 EV的驱动系统总体布置形式、结构模型、特征项目结构模型特征
传统驱动模式1.电动机代替发动机；
2.仍然采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成；
3.有电动机前置、驱动桥前置，电动机前置、驱动桥后置等驱动模式；
4.结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能
电动机-驱动桥组合式驱动系统1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电动机—驱动桥组合式驱动系统；
2.有电动机前置、驱动桥前置，电动机前置、驱动桥后置，电动机后置、驱动桥后置等驱动模式；
3.传动机构紧凑，传动效率高，安装方便
电动机-驱动桥整体式驱动系统1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成；
2.有电动机前置、驱动桥前置，电动机前置、驱动桥后置，电动机后置、驱动桥后置等驱动模式；
3.传动机构紧凑，传动效率高，可以作为驱动桥布置在车架下面
轮毂电动机分散驱动系统1.电动机装在车轮轮毂中，可以有4×2和4×4两种布置方式；
2.4×2布置方式有双前轮驱动模式和双后轮驱动模式；
3.4×4布置方式可以实现4轮驱动模式;
4.能腾出大量有效空间，便于布置
纯电动汽车主要是其采用蓄电池取代传统汽车的发动机，通过反应将电池的化学能转
变为电能，再经电动机和控制器，把电能转化为驱动轮的动能。图2.3为纯电动汽车的动力系统结构简图，传力路线如图所示，整车的能量由蓄电池单独提供。
图2.3 纯电动汽车的动力系统结构
2.2 纯电动汽车的关键技术
纯电动汽车技术是其他电动汽车技术的基础。国家对电动汽车技术和产品的研究以及产业化投入了大量资金。促进了纯电动汽车的技术和产业的迅速发展。纯电动车以动力电池作为能源，由电动机驱动，纯电动车相对于传统车在技术优势上有很多有利条件。纯电动车因采用电池而带来在能源、环保和降噪方面显示出优越性和具有强大的竞争能力，采用电机还可以实现无级调速和再生制动功能，除此之外电动汽车还能更快地实现机电一体化和采用现代电子控制技术。现代电动车是一个复杂的系统工程，它的理论基础是将汽车技术、电机技术、驱动技术、电力电子技术、能源存储技术和现代控制理论有机的结合起来，实现系统的集成优化。总结起来纯电动车开发的关键技术主要有以下几个方面。
1.高功率密度驱动电机研究
电动车辆的驱动电机属于特种电机，它是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。当今世界己研制出功率密度超过1kw/kg，额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速恒扭矩、大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。
2.车用动力蓄电池的选择
目前主要限制电动汽车发展的是车用动力蓄电池，其比能量、比功率、循环使用寿命低和成本高。因蓄电池的性能决定了电动汽车的性能指标，能量密度决定电动汽车一次充电续驶里程，功率密度决定电动汽车的加速性能和最高车速。当前可作为电动汽车蓄电池
的有很多种，如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、镭离子及飞轮电池和燃料电池等，其中最有前景的是镍氢、钠硫、镭离子及飞轮电池和燃料电池。电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉(NJ-Cd)、镍氢(Ni-MH)、钠硫(Na/S)、锂离子(Li-ion)和锌空气(Zn/Air)等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破问。
表2.2 EV电池性能参数列表
比能量（Wh/kg）能量密度（Wh/l）比功率（W/kg 循环次数阀控铅酸30-45 60-90 200-300 400-600
镍镉40-60 80-100 150-350 600-1200
镍锌60-65 130-170 150-300 600-1200
镍氢60-70 130-170 150-300 600-1200 钠/硫100 150 200 800 钠/氯化镍110 149 150 1000
锂离子90-130 140-200 250-450 800-1200 USABC 200 300 400 1000
表2.3 EV电池主要特点列表
电池类型EV主要的优缺点发展潜力
近期目标潜力巨大阀控铅酸技术成熟、成本低廉、可实
现快速充电、比功率高；比
能量低
近期目标潜力巨大镍镉电池技术成熟、可实现快速充电、
比功率高；成本高、比能量
低潜
镍锌电池比能量高、比功率高、成本
中期目标潜力巨大
低；循环寿命短
镍氢电池比能量高、比功率高、可实
近期目标潜力巨大
现快速充电；成本高
中期目标潜力巨大钠硫电池比能量高、比功率高；成本
高、安全问题、需要热量管
理
中期目标潜力巨大锂聚合物电池非常高的比能量、高的比功
率；低温性能差
近期目标潜力巨大锂离子电池非常高的比能量、非常高的
比功率；成本高近
3.系统匹配设计及整车轻量化技术
电动汽车由于车身质量、空间和能源的矛盾，因此在设计时必须考虑采用一定的措施来提高电动车的系统运行效率和整车的质量，以增加其续驶里程。通过对整车实际使用工况和使用要求的分析，车辆宏观参数的总体优化，合理选择电池和电机参数；通过结构优化和集成化、模块化优化设计，减轻动力总成、车载能源系统的重量；积极采用轻质材料，如电池箱的结构框架、箱体封皮、轮毅等采用轻质合金材料；利用CAD 技术对车身承载结构件(如前后桥、新增的边梁横梁等)进行有限元分析研究，用计算和试验相结合的方式，实现结构最优化。电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%
4.电力驱动系统综合控制研究
实现电动车各种驱动方案的关键技术是各驱动轮电机的调速控制和行驶系统的控制。首先必须建立准确适用的数学模型和控制模型，设计快速有效的控制算法，然后再开发以微处理机为核心的控制单元。这些控制技术和方法的研究也是当今世界各国攻关的热点。
5.整车网络通讯系统研究
现代电动车整车控制系统是两条总线的网络结构，即驱动系统的高速CAN 总线和车身系统的低速CAN 总线。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为X-by-wire 技术提供有力的支撑。
6.整车智能化的能量管理系统研究与开发
能量管理系统担负着维持电动车所有的蓄电池组件工作处于最佳状态；采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断;控制充电方式和提供剩余能量显示等职责。因此智能化的能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。
7.能量管理技术
蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能
量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对蓄电池进行系统管理。
能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量源(即电池)外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。
世界各大汽车制造商的研究机构都在进行电动汽车车载电池能量管理系统的研究与开发。电动汽车电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。应用电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。
在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的比精确的数学模型。
2.3 纯电动汽车的应用
当前，纯电动汽车技术比较成熟。但由于电池材料的限制，使其在加速时间、爬坡能力和一次性充电后续驶里程等方面，很难完全令人满意。而由于其实现了零排放、低能耗和低噪声，符合环保与节能的理念，所以在低速、短距离的运输场合，如旅游景区、社区家庭、警车巡逻、城市邮政、区域商务以及对电池充电或更换比较方便的场合等，纯电动汽车是一种非常理想的交通工具。纯电动汽车呈微型化趋势。一般微型汽车整车质量在1．8t下，车长小于3．5m，宽度不大于1．5m，具有体积小、质量小、机动灵活等特点，因此，纯电动汽车的整车布置，与传统内燃机车有所不同，需要重新或改进设计。
典型的纯电动汽车，如比亚迪的E6汽车，是比亚迪公司继F3DM混合动力汽车之后推出的又一款新能源汽车，是比亚迪首款纯电动汽车。比亚迪E6是一款纯电动四驱轿车，是比亚迪继F3DM之后再次打造的第二款新能源车型。比亚迪相关人士介绍，比亚迪E6属于cross跨界车型，外观融合了SUV和MPV的特点，整体时尚大气。其车身尺寸为4554*1822*1630mm，轴距达到2830mm。较为宽大的车身内部仅设五座。动力系统主要蓄电池、电机和控制器共3部分组成，其情况分别阐述如下：
1.动力电池。电池和启动电池均采用比亚迪自主研发生产的ET-POWER铁电池，不会对环境造成任何危害，其含有的所有化学物质均可在自然界中被环境以无害的方式分解吸收，能够很好地解决二次回收等环保问题，是绿色环保的电池，铁电池经过高温、高压、撞击等试验测试。
2.电机。电机是用来将蓄电池的电能转化为动能的装置，与变速器制作成一整体。该电机型号为TYC，属于永磁同步，额定电压316V，电池组总电压316.8V，电池组单体数量96个，最低放电电压249.6V。电机主要由定子和转子组成。定子包括主磁极、电刷。转子包括环形铁和绕在环形铁芯上的绕组。定子和转子之间有一气隙，电枢线圈的首末端分别连接到换向片上，在换向片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电刷线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
3.控制器。用于控制电机的转速、转矩以及输电线路。该车投入使用后，最高车速为140 km／h，续航里程（城市工况）300km，等速工况400km。
3 纯电动汽车的建模与仿真
3.1 仿真分析在控制开发策略中的作用及应用举例
1.仿真程序的设计
仿真程序由用户界面和仿真数据处理两个部分组成,仿真程序流程如图 3.1。仿真程序开发采用VC 编程实现,对于离散相似模型的计算采用MATLAB 中的Simulink 实现。
图3.1 程序结构图
2.MATLAB 集成实现的步骤
Simulink 是基于控制系统的状态空间方程来对系统进行仿真的。Simulink 中Simulink 的运行是分阶段的。首先是系统初始化，确定模块的执行顺序；然后Simulink 进入仿真循环。在每一个循环步长，Simulink 依次执行系统中各个模块的初始化、状态计算、微分与输出；如此循环一直到仿真结束，如图3.2由此可见，Simulink 的本质是求解微分方程和差分方程；用Simulink 建模的实质是用可视化的方法表达微分方程和差分方程。
仿真主程序
各模块组成
用户界面开
发 仿真数据处理
初始参数的
确定 控制功能的实现
相关数据计算 仿真结果的打印 仿真结果的显示